柴油機(jī)煙度排放測試技術(shù)的發(fā)展_圖文

1、1前言柴油機(jī)的排放污染物對人類的健康和環(huán)境造成 很大的危害 , 因此世界各國都制訂日益嚴(yán)格的排放 法規(guī)來限制柴油機(jī)的排放污染物水平 。 這些日益嚴(yán) 格的排放法規(guī)不僅推動了發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展 , 同時 也促進(jìn)了發(fā)動機(jī)測試技術(shù)的發(fā)展 。 針對柴油機(jī)煙度 排放 , 國內(nèi)自 1983年以來相繼制定了一系列的法 規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)控制柴油機(jī)煙度排放污染 。 這不僅促進(jìn)了 柴油機(jī)降低煙度的技術(shù)研究和應(yīng)用 , 而且煙度測試 儀器及測試技術(shù)也得到了發(fā)展 。2柴油機(jī)煙度排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展概況從 1983年以來我國相繼制定了以下煙度排放 標(biāo)準(zhǔn)及測量方法 :1 GB 3843-1983柴油機(jī)自由加速煙度排放標(biāo)準(zhǔn) 。2 GB 384

2、4-1983汽車柴油機(jī)全負(fù)荷煙度排放標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的測量方法 。3 GB 14761.6-1993柴油車自由加速煙度排放標(biāo)準(zhǔn) 。4 GB 14761.7-1993汽車柴油機(jī)全負(fù)荷煙度排放標(biāo)準(zhǔn) 。5 GB 3847-1999壓燃式發(fā)動機(jī)和裝用壓燃式發(fā)動機(jī)車輛排氣可見污染物限值及測試方法 。由于世界各國采用不同的試驗(yàn)規(guī)范 、 不同的煙 度計(jì)和不同的煙度單位 , 造成測量柴油機(jī)煙度排放 這一污染物的復(fù)雜性 。 統(tǒng)一試驗(yàn)規(guī)范 、 煙度測量儀 器和煙度單位是人們的共同愿望 。 國家技術(shù)監(jiān)督局2005年 5月發(fā)布了 GB 3847-2005 車用壓燃式發(fā)動機(jī)和壓燃式發(fā)動機(jī)汽車排氣煙度排放限值與測量 方法 ,

3、該標(biāo)準(zhǔn)采用了 ECE R24的主要內(nèi)容 , 自由 加 速 煙 度 測 量 則 參 照 歐 共 體 96/96/EC 中 的 內(nèi) 容 , 使其更具有先進(jìn)性 、 科學(xué)性和實(shí)用性 。3煙度排放測量技術(shù)與測試儀器目前測量柴油機(jī)排氣煙度普遍采用兩大類測試 儀器 :濾紙式煙度計(jì)和不透光煙度計(jì) 。3.1濾紙式煙度計(jì)濾紙式煙度計(jì)測量原理是將一定容量廢氣中的 碳煙積存在濾紙上 , 通過光電檢測儀器測出被染黑 濾紙的碳粒吸光率 , 以此代表排氣煙度 。早期國內(nèi)濾紙式煙度計(jì)是根據(jù) 1983年的標(biāo)準(zhǔn) 要求而設(shè)計(jì)制造的 , 部分煙度計(jì)采用了德國 Bosch 公司的結(jié)構(gòu)參數(shù) , 煙度單位為波許煙度 。 測量方法 中只對使

4、用儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和光電單元進(jìn)行定義 , 沒有考慮外界環(huán)境溫度 、 壓力等的影響 , 因此造成 不同測量條件下所測得的煙度值有差異 。 正是由于 濾紙式煙度計(jì)的上述問題 , 1990年國際標(biāo)準(zhǔn)化組柴油機(jī)煙度排放測試技術(shù)的發(fā)展包帥善(汽車管理學(xué)院機(jī)械教研室 , 安徽蚌埠 233011摘要 介紹我國煙度排放測試技術(shù)的發(fā)展過程 , 詳細(xì)論述當(dāng)前使用的各種煙度計(jì)的工作原 理 、 測試技術(shù)及測量結(jié)果的差異 , 并對煙度排放法規(guī)和測試技術(shù)的發(fā)展提出自己的看法和建議 。Abstract:This paper introduces development process of measuring technol

5、ogy for ex-haust smoke in China, and focuses on principles and technology of and measuring result dis-crepancy among various kinds of currently adopted exhaust smoke meters. Comments and suggestions on the law of exhaust smoke and the development of the testing technology are proposed.關(guān)鍵詞 :柴油機(jī) 煙度排放

6、濾紙煙度 不透光煙度Key words:diesel engine, exhaust smoke, filter smoke, opacity smoke柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造Design &Manufacture of Diesel Engine 2006年第 2期 第 14卷 (總第 115期 (281 1-(282織 ISO 制 訂 了 改 進(jìn) 測 量 的 標(biāo) 準(zhǔn) , 即 :ISO 10054。 該標(biāo)準(zhǔn)對波許煙度進(jìn)行準(zhǔn)確規(guī)定 , 以 FSN 作為濾 紙法煙度單位 。 對 FSN 煙度定義為 :在 25 、 100kPa 下 , 有效煙柱長度為 405mm 時濾紙式煙度 。 兩者之間的關(guān)

7、系如表 1所示 。為與國際標(biāo)準(zhǔn)相一致 , 我國于 1993年對標(biāo)準(zhǔn) 加以修訂 , 標(biāo)準(zhǔn)號為 GB l4761.6.7-1993, 煙度排放標(biāo)準(zhǔn)采用 FSN 煙度單位 。 但國內(nèi)并無符合該標(biāo) 準(zhǔn)測量方法 (FSN 的煙度測量儀器的生產(chǎn)廠 , 該 類儀器主要靠進(jìn)口 , 價格較高 , 難以普及 。 因此絕 大多數(shù)仍然沿用原來 的 濾 紙 煙 度 計(jì) (Bosch 。 目 前 , 國內(nèi)所用的濾紙式煙度計(jì)主要有德國 BOSCH 煙 度 計(jì) 、 國 產(chǎn) 佛 山 FBY 型 煙 度 計(jì) 、 奧 地 利AVL409、 AVL415型煙度計(jì) , 其中只有 AVL415是 以 FSN 為單位的濾紙煙度計(jì) 。 這些

8、儀器的工作原理基本相同 , 但也存在較大差異 , 主要表現(xiàn)在取樣 方式 、 濾紙有效面積等方面 , 如表 2所示 。1 取樣方式差別從圖 1中可以看到 , 早期濾紙煙度計(jì)均采用活 塞式抽氣泵 , 取樣容積為定值 。 取樣活塞的運(yùn)動依 靠彈簧彈力或壓縮空氣推動 。 在一定的取樣時間 內(nèi) , 由于濾紙沉積碳粒 , 阻力增加 , 造成取樣流量 不均勻 , 從而影響煙度的測量 。 新型濾紙煙度計(jì)(FSN , 以 AVL415為例 , 它采用薄膜泵取樣 , 通表 1FSN/Bosch 煙度單位定義對照表FSN/Bosch 對照常規(guī)使用儀器 Bosch取樣容積 :330cm 3濾紙面積 :8.14cm 2

9、(d=32mm 有效煙柱長度 :405mm 國產(chǎn) FBY 系列BOSCH ETD020AVL409FSN 有效煙柱長度 :405mm 濾紙面溫度 :25 濾紙面壓力 :100kPaAVL415表 2幾種濾紙煙度計(jì)差別對照表儀器名稱 FBY 系列BOSCH ETD020AVL409AVL415取樣方式 活塞式抽氣泵活塞式抽氣泵活塞式抽氣泵電動薄膜泵取樣容積 /mL 330±153301000±2001000可調(diào) 有效面積 /cm 28.04(d=32mm7.069(d=30mm7.069(d=30mm7.069(d=30mm標(biāo)定方式 煙度標(biāo)準(zhǔn)卡 , 無零點(diǎn) 、 滿量程零點(diǎn) 、

10、 滿量程零點(diǎn) 、 滿量程零點(diǎn) 、 滿量程測量單位 BoschBoschBoschFSN修正方式 無修正無修正無修正溫度壓力修正0.10.10.01備注煙度 <0.4無測量顯示煙度 <0.2無測量顯示不適用自由加速測量滿足標(biāo)準(zhǔn)測量要求過孔板流量計(jì) 、 溫度傳感器 、 壓力傳感器控制取樣 流量 , 保證在一定取樣時間內(nèi)均勻抽取樣氣 。 由于AVL415煙度計(jì)可以改變抽氣體積 , 因此可以在煙度值較小的測量工況保持很高的測量精度 。另外 , 新型濾紙煙度計(jì) (FSN 對儀器的死區(qū) 容積有精確的設(shè)定和計(jì)算 , 也就是說取樣有效容 積 =取樣容積 -死區(qū)容積 , 從而減小不同取樣管長 度及取

11、樣管殘余排氣對測量結(jié)果的影響 。2 濾紙有效面積差別濾紙有效面積主要取決于樣氣在濾紙上的染黑 面積 , 不同生產(chǎn)廠根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定濾紙有效工作直徑 (2632mm 來設(shè)計(jì)制造儀器 , 使得煙度計(jì)的結(jié) 構(gòu)參數(shù)各不相同 , 最終計(jì)算染黑度時的結(jié)果也會產(chǎn)圖 1濾紙式煙度計(jì)取樣方式2-生偏差 。除上述兩種情況外 , 還存在硒光電池 、 光電轉(zhuǎn) 換單元 、 取樣管路長短等方面的差異 , 也會影響最 終顯示結(jié)果 。由于上述各種煙度計(jì)均符合早期和現(xiàn)行國內(nèi)及 國際煙度排放標(biāo)準(zhǔn) , 各種老型號規(guī)格的儀器在國內(nèi) 仍然沿用 。 根據(jù)中國現(xiàn)狀現(xiàn)無法生產(chǎn)或無法進(jìn)口大 量符合國際標(biāo)準(zhǔn)化 (FSN 的濾紙煙度計(jì) , 但為確 保

12、測量結(jié)果的一致性和可靠性 , 可以通過大量試驗(yàn) 驗(yàn)證及對結(jié)果分析得出常用的幾種煙度計(jì)測量結(jié)果 的相關(guān)性 。圖 2為目前在用的各種煙度計(jì)以 AVL415為參 考測量值基準(zhǔn)的對比試驗(yàn)結(jié)果 。 從圖中可以看到 , 由于使用的煙度計(jì)不同 , 造成煙度測量值有較大的 差距 。 因此建議作為法規(guī)試驗(yàn) 、 認(rèn)證試驗(yàn)等 , 應(yīng)采用 基準(zhǔn)煙度計(jì) , 以保證試驗(yàn)結(jié)果的公正性和一致性 。3.2不透光式煙度計(jì)不透光煙度計(jì)的測量原理 , 是測量光穿過具有 一定長度的被測廢氣后到達(dá)接收器的透射光與入射 光之比 , 從而確定廢氣的不透光特性 。 其計(jì)算公式 按照比爾 蘭勃特 (Beer-Lambert 定律 , 見圖 3。

13、通常用測定光吸收系數(shù)或不透光度表示排氣煙 度 , 單位 :m -l (或 % 。由于濾紙煙度計(jì)所測的是濾紙的染黑度 , 因此 所測的煙度排放值沒有包含白煙 、 藍(lán)煙的影響 。 對 于全負(fù)荷煙度排放的測量 , 其排煙基本由碳煙組 成 , 并且工況比較穩(wěn)定 , 因此采用該煙度計(jì)測量的 結(jié)果比較可靠 。 但對于瞬態(tài)過程如自由加速測量 , 濾紙煙度計(jì)所測到的煙度排放值只是整個自由加速 過程的積分值 , 而不透光煙度計(jì)則可以真實(shí)反映自 由加速過程中的煙度變化情況 , 參見圖 4。 因此 , 瞬態(tài)過程的煙度排放測量應(yīng)采用不透光煙度計(jì) 。不透光煙度計(jì)根據(jù)其不同的結(jié)構(gòu)及取樣方式又 分為全流式和分流式 , 見圖

14、 5。目前 , 國內(nèi)在用的進(jìn)口和國產(chǎn)的不透光煙度計(jì) 型號規(guī)格如表 3。 上述各種不透光煙度計(jì)在實(shí)際應(yīng) 用中有所區(qū)別 :如應(yīng)用于發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架測量的不圖 2幾種煙度計(jì)測量值的差值分布圖圖 3不透光煙度測量原理圖 4濾紙煙度計(jì)對自由加速煙度的取樣過程 圖 5 不透光煙度計(jì)測量方法3 -(283透光煙度計(jì)對于整車而言 , 因其排氣尾管無法滿足 對取樣安裝位置的要求 , 故不太適用 。 也就是說如 果能夠滿足儀器取樣系統(tǒng)的安裝要求則也可以適用 于整車測量 。而用于整車尾氣測量的不透光煙度計(jì)就不太適 用于發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架測量應(yīng)用 。 這主要是因?yàn)樵擃?儀器從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度考慮 , 在取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中無 取樣

15、溫度及壓力調(diào)節(jié)控制 , 樣氣主要是靠發(fā)動機(jī)的 排氣背壓壓入檢測室 , 發(fā)動機(jī)的排氣背壓對其測量 影響較大 。 因此該類不透光煙度計(jì)的取樣點(diǎn)在消聲 器之后 , 利用整車排氣管消聲器起穩(wěn)壓作用 , 以確 保測量穩(wěn)定及重復(fù)性 。 其主要應(yīng)用于整車自由加速 尾氣煙度排放測量 。雖然不透光煙度計(jì)的測量原理基本相同 , 但由 于不同生產(chǎn)廠商結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電信號處理上的差別 , 其不同儀器在測量結(jié)果上存在差異 。表 4是 3種 有 代 表 性 的 不 透 光 煙 度 計(jì) AVL439、 Celesco-107、 Hartridge MK3進(jìn) 行 臺 架 試 驗(yàn) 對 比 試驗(yàn)的結(jié)果 (參照濾紙煙度計(jì) FSN 。從

16、表 4可以看到 , 全負(fù)荷煙度測量中 , 3種不 透光煙度計(jì)測量值較接近 , 并且與濾紙煙度計(jì)測量 值 對 應(yīng) 關(guān) 系 基 本 一 致 。 但 對 自 由 加 速 煙 度 , AVL439, MK3測量值很接近 , Celesco-107測量值 與 AVL439, MK3測量值相差一倍 。造成這個差別的原因主要是 :Celesco-107為 全流式 , 檢測單元直接夾裝在排氣管段或排氣管尾 端 , 無取樣系統(tǒng) , 且反應(yīng)靈敏 , 無濾波方式 , 所測 值為柴油機(jī)自由加速煙度的瞬態(tài)峰值 。 但該儀器的 響應(yīng)特性與現(xiàn)行法規(guī)要求不配套 , 它是根據(jù)美國排 放法規(guī)要求而研制 , 既不適合歐洲排放法規(guī)

17、, 又不 滿足 GB 3847-1999標(biāo)準(zhǔn)煙度排放測量 。AVL439為分流取樣式 , 配備了對檢測氣室溫 度 、 壓力和流量的控制單元 , 確保測量的穩(wěn)定性和 重復(fù)性 。 能連續(xù)測量全負(fù)荷不透光煙度 , 自由加速 不透光煙度 , 滿足 GB 3847-1999標(biāo)準(zhǔn) 。Hartridge MK3為分流取樣 , 可以連續(xù)測量煙 度 變 化 情 況 , 測 量 結(jié) 果 低 速 段 與 AVL439基 本 一 致 , 高速段差異較大 。 試驗(yàn)分析 Hartridge MK3儀 器較簡單 , 檢測室無壓力 、 溫度 、 流量控制 , 在高 速段受取樣排氣溫度和排氣背壓影響較大所致 , 測 量結(jié)果不穩(wěn)

18、定 。 另外 Hartridge MK3在測量中由于 瞬態(tài)響應(yīng)受排氣充滿取樣室所需時間 (傳遞時間約 為 0.20.6s 和取樣管路長度的限制 , 所以不推 薦用于瞬態(tài)煙度測量 。 (下轉(zhuǎn)第 8頁 表 3幾種不透光煙度計(jì)的型號規(guī)格及其適用范圍序號 儀器型號 取樣方式 生產(chǎn)廠商 適用范圍 1AVL439分流式 奧地利 AVL 公司 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)測量 2AVL437分流式 奧地利 AVL 公司 整車尾氣測量 3Celesco-107全流式 美國 Celesco 公司 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)測量 4HartridgeMK3分流式 英國 Hartridge 公司 整車或臺架尾氣測量 5FTY-100分流式 佛山分析

19、儀器廠 整車尾氣測量 6DISMOKE4000分流式 海騰發(fā)動機(jī)測試 整車尾氣測量表 4某增壓柴油機(jī)各種不透光煙度計(jì)對比試驗(yàn)轉(zhuǎn)速 r/min 扭矩N m供油量kg/h濾紙煙度 /FSN 不透光煙度 /m -1AVL415AVL439Hartridge MK3Celesco-1074-(284(上接第 4頁 4結(jié)束語通過以上對柴油機(jī)煙度測量方法對比的研究分 析 , 提出以下幾點(diǎn)建議 :1 在用濾紙式煙度計(jì)進(jìn)行法規(guī)試驗(yàn)時 , 應(yīng)采用統(tǒng)一的基準(zhǔn)煙度計(jì) 。 但考慮到國內(nèi)大部分發(fā)動機(jī) 生產(chǎn)廠仍然沿用的各種濾紙煙度計(jì) (Bosch 單位 , 建議探索 Bosch-FSN 測量值修正的方法 , 使得測 量結(jié)

20、果具有可比性 。2 對不透光煙度計(jì) , 為保證煙度測量值的可比性和測量精度 , 在引進(jìn)和生產(chǎn)不透光煙度計(jì)時 , 必須考慮到我國法規(guī)體系對與之配套的煙度計(jì)特性 的要求 。3 在不透光煙度計(jì)選型時 , 應(yīng)考慮實(shí)際應(yīng)用的場合及目的 , 合理選用儀器 。 應(yīng)及早研究適應(yīng)未 來煙度排放標(biāo)準(zhǔn)的測試方法和儀器標(biāo)準(zhǔn) 。為了人類能有一個清潔的大氣環(huán)境 , 希望一方面法規(guī)部門應(yīng)繼續(xù)制定新的標(biāo)準(zhǔn) , 客觀地 、 積極地 引導(dǎo)柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展 ; 另一方面試驗(yàn)部門 、 煙度計(jì) 生產(chǎn)部門也應(yīng)著手研究適應(yīng)未來低煙度排放標(biāo)準(zhǔn)的 測量方法及測試儀器 。參考文獻(xiàn)1梁結(jié)實(shí) . 柴油機(jī)試驗(yàn)排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 北京 :工程 建設(shè)與設(shè)計(jì) , 2000(1.2童澄教 . 內(nèi)燃機(jī)排放與凈化 . 上海 :上海交通大 學(xué)出版社 , 1999.3蔣德明 . 內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué) . 西安 :西安交通 大學(xué)出版社 , 2001(7.4Hallstead. The Autoignition of Hydrocarbon Fuels at High Temper